高效節(jié)能型循環(huán)泵的應(yīng)用
2018-10-11 16:30:13
循環(huán)水系統(tǒng)設(shè)計中最重要部分就是自然通風(fēng)冷卻塔、循環(huán)泵的合理選擇配置，在循環(huán)水系統(tǒng)建設(shè)中它們的投資費用最多、施工最復(fù)雜，對電廠總投資影響(influence)最大。直接影響電力工程(Engineering)建設(shè)的單位造價與電廠投資回收年限。
供水系統(tǒng)(system)優(yōu)化設(shè)計是系統(tǒng)方案選擇(xuanze)的基礎(chǔ)，其中對方案設(shè)計影響(influence)最大的是循環(huán)泵電動機的年費用。在保證汽輪機運行安全滿負荷發(fā)電的前提下，如何降低電動機的年費用，值得每一位工程(Engineering)設(shè)計人員思考。
本文將直面上述問題進行研究。從降低電動機年費用(expense)出發(fā)，研究循環(huán)泵與電動機的工作效率，在滿足汽輪機各種運行工況(包括純凝工況、最大抽氣工況、及額定抽氣工況)前提下，降低循環(huán)泵配用電動機無功功率（指物體在單位時間內(nèi)所做的功的多少），提高電動機效率。
近年來隨著國家新一輪經(jīng)濟建設(shè)高潮的到來，全國各地相繼建設(shè)有一大批135MW國產(chǎn)超高壓、中間再熱機組。我們先后設(shè)計了16臺135MW機組，對135MW機組循環(huán)水系統(tǒng)中循環(huán)泵選擇，本著對電廠長期經(jīng)濟安全運行為宗旨，推廣使用高效節(jié)能型循環(huán)泵。
1、高效節(jié)能型循環(huán)泵簡介
1.1 高效節(jié)能型循環(huán)泵概述：
國內(nèi)大部分100M
W、125MW，135MW機組的循環(huán)供水系統(tǒng)(system)中，大多數(shù)采用一臺機組配二臺循環(huán)泵的常規(guī)布置，這種配置模式符合《火力發(fā)電廠技術(shù)規(guī)程、標準》，也符合電力系統(tǒng)行業(yè)《水工技術(shù)規(guī)定》，在電廠設(shè)計中廣泛使用。
對電廠工程建設(shè)項目進行經(jīng)濟分析(Analyse)發(fā)現(xiàn)，火力發(fā)電廠采用一機二泵常規(guī)模式布置循環(huán)水系統(tǒng)年運行費用比較高，設(shè)計上存在一些不足主要表現(xiàn)在：
循環(huán)泵設(shè)計點參數(shù)偏離系統(tǒng)運行值，水泵效率不高。
對已投產(chǎn)運行的循環(huán)泵調(diào)查發(fā)現(xiàn)，電廠普遍存在循環(huán)泵的運行效率除部分時間外大部分時間循環(huán)泵的運行效率不高，大多數(shù)時間水泵效率只有60%左右，很顯然它不屬于水泵的高效范圍。
水泵運行方式對循環(huán)系統(tǒng)的流量變化不太敏感
對于單一工況運行的汽輪機，汽輪機凝汽器冷卻水量隨著每年季節(jié)的變化大幅度波動;對于變工況運行的汽輪機，伴隨著汽輪機抽汽量的增加，系統(tǒng)冷卻水量大幅度最大化減少。上海凱泉泵業(yè)集團有限公司性能的技術(shù)參數(shù)有流量、吸程、 揚程、軸功率、水功率、效率等；根據(jù)不同的工作原理可分為 容積水泵、葉片泵等類型。 容積泵是利用其工作室容積的變化來傳遞能量； 葉片泵是利用回轉(zhuǎn)葉片與水的相互作用來傳遞能量，有 離心泵、 軸流泵和 混流泵等類型。火力發(fā)電廠采用一機二泵常規(guī)模式設(shè)置存在著全年大部分時間運行一臺水泵供水量不足，二臺水泵供水量過大的現(xiàn)象，水泵運行調(diào)節(jié)困難，不利于汽輪機形成最有利的真空度，白白的浪費電能，為了從根本上解決循環(huán)泵的配置與系統(tǒng)流量變化的不一的問題(Emerson)，提高循環(huán)泵的運行效率，生產(chǎn)、開發(fā)高效節(jié)能型水泵事在必然。
1.2 高效節(jié)能型循環(huán)泵特點
本文從循環(huán)泵高效、節(jié)能出發(fā)，介紹一種新型G系列循環(huán)泵的特點，并以G48Sh新型循環(huán)泵在135MW機組設(shè)計中的運用為例給予重點說明。
G48Sh新型循環(huán)泵的設(shè)計參數(shù)與電廠循環(huán)水系統(tǒng)實際阻力參數(shù)相吻和，水泵運行效率較高。對投產(chǎn)運行的100多臺G48Sh循環(huán)泵進行抽樣試驗、檢測發(fā)現(xiàn)，G48Sh水泵實際運行效率為84-88%，比135MW機組常規(guī)模式布置一機配二臺同型號水泵48Sh-22的實際效率提高了25%。
G48Sh新型循環(huán)泵配用電動機采用雙極數(shù)、雙轉(zhuǎn)速運行。根據(jù)每年季節(jié)不同汽輪機凝汽器冷卻水量大幅度改變，電動機通過調(diào)整電動機極數(shù)與轉(zhuǎn)速使電動機輸出功率發(fā)生改變，從而使循環(huán)泵的供水量、水壓發(fā)生改變。增加了系統(tǒng)的調(diào)節(jié)靈活性，最大限度地節(jié)約廠用電負荷。
例如，夏季一臺G48Sh高效節(jié)能型水泵采用高轉(zhuǎn)速運行，在水泵功率（指物體在單位時間內(nèi)所做的功的多少）相當(dāng)?shù)那闆r下比二臺48Sh-22水泵供水量多3000噸/小時;冬季一臺G48Sh 高效節(jié)能型水泵采用低轉(zhuǎn)速運行，在系統(tǒng)(system)供水量相當(dāng)情況下水泵配用電動機功率由1080KW降至680KW，功率降幅達30%以上，相當(dāng)于每臺水泵每年可節(jié)省電量230萬度。凱泉泵業(yè)由此可見，若離心泵葉輪不斷旋轉(zhuǎn)，則可連續(xù)吸水、壓水，水便可源源不斷地從低處揚到高處或遠方。綜上所述，離心泵是由于在葉輪的高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力的作用下，將水提向高處的。上海凱泉如安裝過高，則不吸水；此外，由于山區(qū)比平原大氣壓力低，因此同一臺水泵在山區(qū)，特別是在高山區(qū)安裝時，其安裝高度應(yīng)降低，否則也不能吸上水來。
G48Sh高效節(jié)能型循環(huán)泵的引入優(yōu)化了循環(huán)水系統(tǒng)水力條件，加寬了水泵高效區(qū)段的變化范圍，可保證循環(huán)泵在兩個不同轉(zhuǎn)速下實際的運行效率不低于85%，提高了水泵的效率。凱泉泵業(yè)由此可見，若離心泵葉輪不斷旋轉(zhuǎn)，則可連續(xù)吸水、壓水，水便可源源不斷地從低處揚到高處或遠方。綜上所述，離心泵是由于在葉輪的高速旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的離心力的作用下，將水提向高處的。
G48Sh高效節(jié)能型循環(huán)泵的引入，改變了一臺汽輪機配二臺循環(huán)泵(簡稱一機二泵)等容量配置模式的常規(guī)設(shè)計主導(dǎo)思想，提出不等容量大、小水泵配置的設(shè)計概念。大水泵有高轉(zhuǎn)速、低轉(zhuǎn)速，小水泵也有高轉(zhuǎn)速、低轉(zhuǎn)速，由此組合出多種水泵運行工況，并且互相備用?；緷M足汽輪機的變工況運行要求。高效節(jié)能型循環(huán)泵采用臥式泵殼，運行、檢修非常方便。
1.3 高效節(jié)能型循環(huán)泵的配置
我們先后設(shè)計了18臺135MW機組國產(chǎn)超高壓、中間再熱機組。這些電廠有一個共同的特性，基本上是企業(yè)自發(fā)自用，企業(yè)除了有穩(wěn)定的電力需求外還有一定的供熱負荷，企業(yè)的供熱負荷波動較大。使得電廠循環(huán)水系統(tǒng)(system)的循環(huán)水量大幅度改變。在沒有供熱負荷時，供熱機組基本上在純凝汽工況運行，這種情況往往出現(xiàn)在每年的夏季。隨著冬季的來臨，生產(chǎn)供熱負荷與生活采暖負荷增加，使機組供熱負荷大幅度提高，極端情況下，機組會超額定抽汽工況運行。這些企業(yè)多數(shù)位于我國的華北、東北與西北地區(qū)，采暖時間較長，每年固定采暖期有 4-6個月，個別年限采暖期更長。機組如此長時間抽汽供熱運行，使得電廠循環(huán)水流量長時間在較低的情況下運行，考慮電廠長期經(jīng)濟運行要求，循環(huán)泵的供水流量和揚程的高效范圍(fàn wéi)要求很長。
以135MW供熱機組為例：夏季機組汽輪機VWO工況時，汽輪機凝汽器凝汽量為324.17t/h，1臺機組的循環(huán)水量為19640t/h;汽輪機額定抽汽工況時，汽輪機凝汽器凝汽量為223.36t/h，1臺機組的循環(huán)水量為12274 t/h;汽輪機在最大抽汽工況時，汽輪機凝汽器凝汽量142.66t/h，機組的循環(huán)水量為4700 t/h。循環(huán)水系統(tǒng)的流量從4700t/H--19000T/H變化，按照常規(guī)等容量水泵布置為滿足機組最小熱負荷的冷卻水要求配置循環(huán)泵流量為 9800T/H-11700T/H，供水揚程約18.0-21.5米，二臺水泵并聯(lián)運行。
在額定抽汽工況下,一臺水泵運行,由于循環(huán)水量減少、系統(tǒng)的水阻下降,水泵的流量12274T/H,揚程將下降至15.0-16.0米，在汽輪機在最大抽汽工況時,為滿足循環(huán)水系統(tǒng)要求運行一臺水泵，由于供水量大幅度減少，使水泵揚程大幅度提高,直接造成冷卻塔涌水,加大淋水裝置配水槽的流速，水流在淋水填料上熱交換的時間減少，降低了冷卻塔的冷卻效果。當(dāng)然淋水填料熱交換的效果降低在冬季不會引取太多的注意(attention)，但是水泵運行肯定會移出水泵的高效范圍，水泵的效率降低，電動機無功功率增加白白得浪費電能。由于循環(huán)泵的電動機功率710KW，長時間運行不利于電廠節(jié)能。在這種情況下要求一種新的水泵配置模式，既要滿足大流量、高揚程要求也要滿足小流量低揚程要求，出現(xiàn)大、小水泵和高低轉(zhuǎn)速運行方式。這種配置模式強調(diào)大水泵高流量、高轉(zhuǎn)速按照系統(tǒng)的最大流量選擇(xuanze)，供水流量與揚程滿足系統(tǒng)的要求。小水泵的高流量、高轉(zhuǎn)速按照系統(tǒng)流量的60%的選擇，作為大水泵的備用水泵;大水泵的小流量、低轉(zhuǎn)速選擇按照小水泵的高流量、高轉(zhuǎn)速選擇，作為小水泵的高速備用水泵;小水泵的低流量、低轉(zhuǎn)速完全按照系統(tǒng)最小流量、與系統(tǒng)要求的供水揚程選擇，此時無其它備用水泵。這種通過機組抽汽工況的改變，自動調(diào)整水泵的大、小及水泵的高、低轉(zhuǎn)速運行，使水泵供水量基本符合系統(tǒng)的循環(huán)水量的要求。
2 高效節(jié)能型循環(huán)泵的使用情況(Condition)
電廠2臺125MW機組配備4臺48SH-22同型號循環(huán)泵運行。上海凱泉泵業(yè)集團有限公司性能的技術(shù)參數(shù)有流量、吸程、 揚程、軸功率、水功率、效率等；根據(jù)不同的工作原理可分為 容積水泵、葉片泵等類型。 容積泵是利用其工作室容積的變化來傳遞能量； 葉片泵是利用回轉(zhuǎn)葉片與水的相互作用來傳遞能量，有 離心泵、 軸流泵和 混流泵等類型。在一年大部分時間里供水系統(tǒng)確實存在單臺水泵運行供水流量不足，2臺水泵并聯(lián)運行廠用電又增加過大，水泵效率低下影響機組的經(jīng)濟運行。1998年10月將4#水泵(48SH-22)更換成G48SH高效節(jié)能水泵，高效節(jié)能水泵投產(chǎn)運行后，電廠委托廣東電力試驗研究所進行了高效節(jié)能水泵性能測試，試驗結(jié)果表明：高效節(jié)能水泵在高、低轉(zhuǎn)速時的實際運行效率分別高達87.78%與 86.11%，比未改造的其他水泵48SH-22效率分別提高28.26%和26.5%，耗電量明顯最大化減少，同時新水泵運行調(diào)節(jié)靈活。
電廠2臺125MW機組采用二次循環(huán)供水系統(tǒng)，系統(tǒng)配置4臺48SH-22型同型號循環(huán)泵，水泵運行方式采用夏季三臺水泵運行，其他季節(jié)二臺運行。因為發(fā)現(xiàn)單臺水泵運行時的流量不足、效率低，1998年6月將循環(huán)泵改成高效G48SH水泵。高效G48SH水泵投運后，電廠委托廣東電力試驗研究所對新水泵效率進行檢測試驗, 試驗結(jié)果表明：新泵在高轉(zhuǎn)速時的流量達16537t/h，實際運行效率高達87.78%、電動機功率1002KW;低轉(zhuǎn)速時的流量達13080t/h，實際運行效率為86.12%、電動機功率646KW，水泵運行工況與機組運行工況基本吻合。原水泵實際運行點流量14400t/
H、效率59.62%、電動機功率1089KW;最高效率70%時流量為11540t/h，水泵運行工況與機組運行工況不符。由此可見新泵供水量比舊泵大2137 t/
H、效率高、電動機的功率（指物體在單位時間內(nèi)所做的功的多少）低87.7KW;新泵低速運行時單臺水泵每小時節(jié)省443KW。
1998年12月由原電力工業(yè)部科學(xué)技術(shù)司組織鑒定,頒發(fā)科學(xué)技術(shù)成果鑒定證書在全國予以推廣。
3、結(jié)論
當(dāng)然任何新技術(shù)的推廣都需要一個認識過程, 高效節(jié)能型循環(huán)泵的最大特性是節(jié)能、工作效率高。但是它是否適合所有地區(qū)、所有135MW機組的運行工況還需要更多的實際應(yīng)用證明(zhèng míng)，更需要因地制宜的選擇。推廣高效節(jié)能型循環(huán)泵不僅涉及到電廠循環(huán)泵的配置、水泵備用與水泵運行費用問題，而且關(guān)系到水泵與汽輪機運行的聯(lián)鎖控制問題等等，尤其在長江邊取水泵房必須謹慎選擇，高效節(jié)能型循環(huán)泵的幾何尺寸較等容量水泵大的多，對江邊取水泵房而言，設(shè)備及設(shè)備運行費用不及取水泵房結(jié)構(gòu)費用與施工費用，特別是水源枯水位與最高水位相差較大的時候。